示意圖

熱力學(xué)第一定律：△U=Q+W。系統(tǒng)在過(guò)程中能量的變化關(guān)系

英文翻譯：the first law of thermodynamics

在熱力學(xué)中，系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)與環(huán)境之間交換的熱為Q，與環(huán)境交換的功為W，可得熱力學(xué)能（亦稱內(nèi)能）的變化為

ΔU = Q+ W

或Q=ΔU-W（目前通用這兩種說(shuō)法，以前一種用的多），為了避免混淆，物理中普遍使用第一種，而化學(xué)中通常是說(shuō)系統(tǒng)對(duì)外做功，故會(huì)用后一種。

自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中能量的總和不變。

英文翻譯：The first explicit statement of the first law of thermodynamics, by Rudolf Clausius in 1850, referred to cyclic thermodynamic processes

"In all cases in which work is produced by the agency of heat, a quantity of heat is consumed which is proportional to the work done; and conversely, by the expenditure of an equal quantity of work an equal quantity of heat is produced."

熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。

普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程中的具體表現(xiàn)。熱力學(xué)的基本定律之一。

熱力學(xué)第一定律是對(duì)能量守恒和轉(zhuǎn)換定律的一種表述方式。

表征熱力學(xué)系統(tǒng)能量的是內(nèi)能。通過(guò)作功和傳熱，系統(tǒng)與外界交換能量，使內(nèi)能有所變化。根據(jù)普遍的能量守恒定律，系統(tǒng)由初態(tài)Ⅰ經(jīng)過(guò)任意過(guò)程到達(dá)終態(tài)Ⅱ后，內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)等于在此過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量Q 和系統(tǒng)對(duì)外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ=ΔU=Q+W或Q=ΔU-W這就是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。如果除作功、傳熱外，還有因物質(zhì)從外界進(jìn)入系統(tǒng)而帶入的能量Z，則應(yīng)為ΔU=Q+W+Z。當(dāng)然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可負(fù)（使系統(tǒng)能量增加為正、減少為負(fù)）。對(duì)于無(wú)限小過(guò)程，熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式為

dU=δQ+δW因U是狀態(tài)函數(shù)，dU是全微分；Q、W是過(guò)程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符號(hào)δ以示區(qū)別。又因ΔU或dU只涉及初、終態(tài)，只要求系統(tǒng)初、終態(tài)是平衡態(tài)，與中間狀態(tài)是否平衡態(tài)無(wú)關(guān)。 對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，有δQ=dU+pdV

熱力學(xué)第一定律法國(guó)物理學(xué)家卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1832）(右圖)生于巴黎。其父L.卡諾是法國(guó)有名的數(shù)學(xué)家、將軍和政治活動(dòng)家，學(xué)術(shù)上很有造詣，對(duì)卡諾的影響很大。

卡諾身處蒸汽機(jī)迅速發(fā)展、廣泛應(yīng)用的時(shí)代，他看到從國(guó)外進(jìn)口的尤其是英國(guó)制造的蒸汽機(jī)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自己國(guó)家生產(chǎn)的，便決心從事熱機(jī)效率問(wèn)題的研究。他獨(dú)辟蹊徑，從理論的高度上對(duì)熱機(jī)的工作原理進(jìn)行研究，以期得到普遍性的規(guī)律；1824年他發(fā)表了名著《談?wù)劵鸬膭?dòng)力和能發(fā)動(dòng)這種動(dòng)力的機(jī)器》（右圖），書中寫道：“為了以最普遍的形式來(lái)考慮熱產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理，就必須撇開(kāi)任何的機(jī)構(gòu)或任何特殊的工作介質(zhì)來(lái)進(jìn)行考慮，就必須不僅建立蒸汽機(jī)原理，而且建立所有假想的熱機(jī)的原理，不論在這種熱機(jī)里用的是什么工作介質(zhì)，也不論以什么方法來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)它們?！?/p>

卡諾出色地運(yùn)用了理想模型的研究方法，以他富于創(chuàng)造性的想象力，精心構(gòu)思了理想化的熱機(jī)——后稱卡諾可逆熱機(jī)（卡諾熱機(jī)），提出了作為熱力學(xué)重要理論基礎(chǔ)的卡諾循環(huán)和卡諾定理，從理論上解決了提高熱機(jī)效率的根本途徑。

卡諾在這篇論文中指出了熱機(jī)工作過(guò)程中最本質(zhì)的東西：熱機(jī)必須工作于兩個(gè)熱源之間，才能將高溫?zé)嵩吹臒崃坎粩嗟剞D(zhuǎn)化為有用的機(jī)械功；明確了“熱的動(dòng)力與用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的介質(zhì)無(wú)關(guān)，動(dòng)力的量?jī)H由最終影響熱素傳遞的物體之間的溫度來(lái)確定”，指明了循環(huán)工作熱機(jī)的效率有一極限值，而按可逆卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)所產(chǎn)生的效率最高。實(shí)際上卡諾的理論已經(jīng)深含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，但由于受到熱質(zhì)說(shuō)的束縛，使他當(dāng)時(shí)未能完全探究到問(wèn)題的底蘊(yùn)。

1832年8月24日卡諾因染霍亂癥在巴黎逝世，年僅36歲。按照當(dāng)時(shí)的防疫條例，霍亂病者的遺物一律付之一炬?？ㄖZ生前所寫的大量手稿被燒毀，幸得他的弟弟將他的小部分手稿保留了下來(lái)，其中有一篇是僅有21頁(yè)紙的論文----《關(guān)于適合于表示水蒸汽的動(dòng)力的公式的研究》，其余內(nèi)容是卡諾在1824-1826年間寫下的23篇論文。

后來(lái)，卡諾的學(xué)術(shù)地位隨著熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)第一定律、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律及熱力學(xué)第二定律相繼被揭示的過(guò)程慢慢形成了。

熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系。德國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾（Julius Robert Mayer，1814～1878）（右圖）1840年2月到1841年2月作為船醫(yī)遠(yuǎn)航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同，發(fā)現(xiàn)體力和體熱來(lái)源于食物中所含的化學(xué)能，提出如果動(dòng)物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機(jī)械功的關(guān)系。他將自己的發(fā)現(xiàn)寫成《論力的量和質(zhì)的測(cè)定》一文，但他的觀點(diǎn)缺少精確的實(shí)驗(yàn)論證，論文沒(méi)能發(fā)表（直到1881年他逝世后才發(fā)表）。邁爾很快覺(jué)察到了這篇論文的缺陷，并且發(fā)奮進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1842年他發(fā)表了《論無(wú)機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過(guò)程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人。但1842年發(fā)表的這篇科學(xué)杰作當(dāng)時(shí)未受到重視。

以后英國(guó)杰出的物理學(xué)家焦耳（James Prescort Joule,1818～1889）（右圖）、德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲（Hermannvon Helmholtz,1821～1894）等人又各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。1843年8月21日焦耳在英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)數(shù)理組會(huì)議上宣讀了《論磁電的熱效應(yīng)及熱的機(jī)械值》論文，強(qiáng)調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、不會(huì)消滅的，哪里消耗了機(jī)械能或電磁能，總在某些地方能得到相當(dāng)?shù)臒?。焦耳用了?0年的時(shí)間，不懈地鉆研和測(cè)定了熱功當(dāng)量。他先后用不同的方法做了400多次實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：熱功當(dāng)量是一個(gè)普適常量，與做功方式無(wú)關(guān)。他自己1878年與1849年的測(cè)驗(yàn)結(jié)果相同。后來(lái)公認(rèn)值是427千克重·米每千卡。這說(shuō)明了焦耳不愧為真正的實(shí)驗(yàn)大師。他的這一實(shí)驗(yàn)常數(shù)，為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律提供了無(wú)可置疑的證據(jù)。

1847年，亥姆霍茲（左圖）發(fā)表《論力的守恒》，第一次系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程，揭示其運(yùn)動(dòng)形式之間的統(tǒng)一性，它們不僅可以相互轉(zhuǎn)化，而且在量上還有一種確定的關(guān)系。能量守恒與轉(zhuǎn)化使物理學(xué)達(dá)到空前的綜合與統(tǒng)一。

將能量守恒定律應(yīng)用到熱力學(xué)上，就是熱力學(xué)第一定律。

熱力學(xué)的基本定律之一，是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律的一種表述方式。熱力學(xué)第一定律指出，熱能可以從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量相互轉(zhuǎn)換，在傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總值不變。它的另一種表述方式為：不消耗能量就可以作功的"第一類永動(dòng)機(jī)"是不可能實(shí)現(xiàn)的。

18世紀(jì)以來(lái)，流行一時(shí)的"熱質(zhì)說(shuō)"相繼為 Count von朗福德、J.R.von邁爾、J.P.焦耳等人所推翻。他們證明熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)，并逐步歸納成第一定律的表述方式。其中焦耳于1840～1850年進(jìn)行的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)為這一定律的科學(xué)表述奠定了基礎(chǔ)。焦耳的實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械能所作的功W與其轉(zhuǎn)換得到的熱量Q之間存在著嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系，不管轉(zhuǎn)換的過(guò)程如何，一個(gè)單位的熱量永遠(yuǎn)相當(dāng)于E個(gè)單位的功，即W=EQ，式中E稱為熱功當(dāng)量。在國(guó)際單位制(SI)中熱量和功的單位都是焦耳(J)，所以E=1。

對(duì)于封閉系統(tǒng)（見(jiàn)熱力系統(tǒng)），熱力學(xué)第一定律可表達(dá)為

Q=ΔU +W

或　δQ=dU +δW

它表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q,等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU 和系統(tǒng)對(duì)外界作功W之和。

在熱工設(shè)備中經(jīng)常遇到工質(zhì)穩(wěn)定地流入和流出設(shè)備的開(kāi)口系統(tǒng)（見(jiàn)圖）的情形。這時(shí)，熱力學(xué)第一定律可表達(dá)為

它表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q，等于質(zhì)量為 m的流體流經(jīng)系統(tǒng)前后焓H 的增量、動(dòng)能

的增量以及系統(tǒng)向外界輸出的機(jī)械功W之和。